甲醇部分氧化制氢(POM)是在氧⽓(或空⽓)的存在下甲醇发⽣部分氧化⽣成H2和CO2的⼀种放热反应。反应⽅程式为:CH3OH+1/2O2→2H2+CO2 ΔH=-192.2kJ/mol (3)
POM反应速率较⾼,具有反应达到稳态后⽆需额外供热的优点。
OstroverkhA等制备了Pt基于CeO2双层薄膜的催化剂,使⽤温度程序化反应(TPR)技术测试其对甲醇部分氧化的催化活性。结果显⽰不连续CeO2吸附层的氧化还原能⼒优化了羟甲基中间体脱氢形成CO的反应途径,有利于其氧化形成甲酸盐。故在⼤于210℃的较⾼温度下,⾮连续的CeO2层(0.2nm)可⼤⼤提⾼裸Pt的催化性能,且⼏乎⽆CO产⽣。功夫面
Au催化剂也具有优秀的性能。HernándezRamríezE等制备了Au/TiO2和Au/ZrO2催化剂(Au颗粒粒径⼩于5nm)催化POM制氢。在O2/C=0.5时,使⽤Au/TiO2,在300℃时甲醇转化率达到63%,H2产量为0.188mL/min;使⽤Au/ZrO2,在300℃的时甲醇转化率与Au/TiO2相近,但H2产量提⾼近2.5倍,达到了0.43mL/min。
POM的优势在于其通过部分氧化即可提供反应需要的热量,因此不需要加热装备,有利于装置的⼩型化。但是放热过于剧烈不易控制,且⽬前催化剂体系的研究还不够丰富,甲醇转化率及⽬标产物的选择性都有待提⾼,依然具有相当⼤的研究空间。
1.4甲醇⾃热蒸汽重整(ASRM)
ASMR是POM和SMR两个反应的耦合。可以利⽤POM为SMR提供热能。反应为微放热反应。ASRM具有更⾼的反应速率和氢⽓产量。该反应⽅程式为:
CH3OH(g)+1/2O2→CO2+2H2 ΔH 298K=-192kJ/mol (4)
CH3OH(g)+H2O(g)→CO2+3H2 ΔH 298K=49kJ/mol (5)
泡沫模具CH3OH(g)+H2O(g)→CO+2H2 ΔH 298K=91kJ/mol (6)
CO+H2O(g)→CO2(g)+H2 ΔH 298K=-41kJ/mol (7)
JampaS等使⽤Cu负载的中孔CeO2和CeO2-ZrO2催化剂进⾏了ASRM,Cu/CeO2在350℃下达到最佳性能,得到了100%甲醇转化率和60%H2产率。⽽Cu/CeO2-ZrO2在300℃时取得了相同的效果。
ChenWH等使⽤Cu-Zn负载Al2O3催化剂催化微波加热引发的ASRM。发现ASRM的甲醇转化率在O2/C=0.125和0.5时超过90%,在相同的反应温度下,O2/C=0.5时,ASRM消耗的能量⽐SMR⼤约减少⼀半。⽽在O2/C=0.25时由于涉及氧化反应,消耗了微波辐射所提供的部分能量,故甲醇转化率相对较低(56-67%)。
洪学伦等制备了Zn-Cr催化剂在350-650℃范围内催化ASRM,研究表明,在480℃、O2/C=0.3、H2O/C=1.2、空速
=8600h-1时,甲醇转化率达96%,H2选择性达75%,实现了在较⾼温度下提⾼H2选择性的⽬的。
传统甲醇制氢反应多发⽣在⾼温⾮均相催化的环境中。传统甲醇制氢技术运⾏参数和指标总结如表1所⽰。⽤于甲醇制氢的传统技术⽇益成熟,但仍⾯临着转化过程温度过⾼、催化剂失活等诸多问题,仍需进⼀步研制较为经济且性能稳定的低温制氢催化剂。
近年醇类等离⼦体制氢等⼀些新兴技术发展起来,逐渐受到了⼴泛的关注。德国和意⼤利开发出低温⽔相甲醇脱氢⼯艺。该⼯艺使⽤钌基有机化合物为催化剂,在65-95℃及常压下制氢。该系统可在碱性⽔溶液中保持稳定,可将甲醇全部转化为氢,但缺点是反应的基质必须保持较⾼的活性,⽽其活性仅维持3个星期左右。
2等离⼦体转化低碳醇制氢
等离⼦体技术在材料改性、废⽔废⽓处理、⼟壤修复等⽅⾯均有应⽤。低温等离⼦体中具有⾼能电⼦,可利⽤其使低碳醇化学键断裂,引发反应,从⽽制取氢⽓。⽬前常⽤的低温等离⼦体制氢发⽣⽅式主要分为:介质阻挡放电、电晕放电、微波放电、滑动弧放电、辉光放电等。
2.1电晕放电等离⼦体制氢
电晕放电具有产氢所需能耗⼩、温度低、时间短、空间⼩等优点,使其适⽤于汽车能源领域,具有⼀定的开发潜⼒和⼯业化应⽤前景。
LiHQ等在⼤⽓压下使⽤DC和AC电晕放电分解甲醇制氢,反应装置如图2所⽰,实验中以氩⽓作为载⽓。结果表
明,AC-sin(正弦波形)电晕放电中,甲醇的转化率可达70%,能耗⼩于20kWh/m3H2。另外,AC电晕放电⽐DC电晕放电的甲醇转化率更⾼,且转化速率更快(如图3),最⼤转化速率分别为25.09mL/min和17.47mL/min。研究证
明,AC电晕放电优于DC电晕放电。钢铁清洗剂
李慧青等还进⼀步发现,正弦交流电条件下,甲醇进料浓度为57%时,H2产量最⼤值可达50.2mL/min,H2产率可达到44.9%,此时能耗为4kWh/m3H2。
⽬前,⽂献中甲醇电晕放电的实际产氢效果并不理想,因此关于该领域的研究相对较少,未来可以进⾏更多的探索与改进。
2.2介质阻挡放电等离⼦体制氢
介质阻挡放电是⼀种常压下放电类型,能够在很⾼的电压和很宽的频率范围内⼯作。⼯作电压在⼏千伏到⼏万伏,电源
介质阻挡放电是⼀种常压下放电类型,能够在很⾼的电压和很宽的频率范围内⼯作。⼯作电压在⼏千伏到⼏万伏,电源频率可从50Hz⾄1MHz。DBD由于介质位置不同特性有所差异。
LeeDH等使⽤填充有Cu-ZnO/Al2O3的DBD等离⼦体反应器进⾏了甲醇蒸汽催化重整实验。产物主要为
CO,CO2,H2。如图4所⽰,在未施加电压时,随着温度由180℃升⾼到250℃,甲醇转化率由5%增加到41%;当施加4kV电压后,甲醇转化率相⽐之前有明显提升,但呈现先增后减的趋势,在温度220℃时转化率达到最⼤值55%。Lee 认为其原因是在较低温度时放电能提供⾜够的能量来使甲醇和H2O的化学键断裂,同时也可增加催化剂表⾯活性位点对反应物的吸收强度,使得转化率升⾼;转化率下降主要是由于在⾼温下催化反应占主导地位,放电对反应起了反作⽤。在进料0.5mL/h,温度220℃,仅使⽤催化剂的条件下,甲醇转化率为37%;施加2kV电压后,随着放电频率由10Hz增加到105Hz时,甲醇转化率由39%增加到44%。⽂章未提及H2产量、产物选择性等内容。
WangBW等利⽤DBD进⾏重整甲醇制氢。实验讨论了输⼊功率、内电极材料、放电间隙、反应区长度、电介质厚度及甲醇含量等参数对反应的影响。在最佳条件下,甲醇转化率可达82.38%,H2产率
可达27.43%。GeW等采⽤DBD结合Cu/Al2O3催化剂重整甲醇制氢,甲醇转化率及H2产率分别可达78%、59%。研究过程中发现,反应的主要产物为H2、CO2,⽽不使⽤催化剂时产物主要为H2、CO。此外,作者对放电制氢机理进⾏了分析,具体过程如图5所⽰。WangBW等⽤DBD形式研究了⼄醇制氢,实验装置如图6所⽰。研究发现,⼄醇流速的增加会降低⼄醇的转化率和H2的产率,⽓体产物的选择性降低。甲醇转化率和H2产率随⽓化室温度呈现先增后减的趋势。⽔/⼄醇⽐例增⼤有利于H2产率和⼄醇转化率的增加。但⽓化室温度达到120℃时,⼄醇转化率和H2产率达到最⼤值,分别为34%和14%。在最佳实验条件下,即汽化室温度为120℃,⼄醇流量0.18mL/min,⽔/⼄醇⽐7.7和氧⽓体积浓度为13.3%时,⼄醇转化率为88.4%,H2产率为31.8%,H2选择性为40%。研究同时推断,停留时间和输⼊功率对⼄醇转化率和H2产率也⾄关重要。
DBD等离⼦体产氢的优点是醇类转化率相对较⾼,投资和运⾏成本低。更重要的是,介质阻挡放电(DBD)产氢稳定。因此,出现了很多DBD等离⼦体产氢技术研究,促进了DBD等离⼦体产氢技术的发展。
2.3微波等离⼦体制氢
微波等离⼦体的能量集中,可产⽣较⾼温度放电区且温度空间分布梯度较⼤,具有丰富的⾼能电⼦、活性⾃由基等活性物质。
WangYF等使⽤微波等离⼦体进⾏了甲醇裂解制氢。使⽤N2作为载⽓,流量12.4L/min,在800-1200W的功率范围内,甲醇转化率随功率的增加⽽增加,最⾼达99.8%。但当功率继续增加到1400W时转化率呈现了略微的降低趋势,这是由于产⽣了过多的固体碳,吸收了微波能量从⽽导致电⼦能量的降低。甲醇浓度为3.3%时,随着功率从800W升⾼到1400W,H2选择性从77.5%增加到85.8%;但甲醇浓度的升⾼(5.0%)反⽽导致了H2选择性的降低,随着功率的变化H2选择性从73.6%增加到82.2%。含碳副产物的选择性依次为CO>炭⿊>C2H2>CH4>CO2≈C2H4。在功率800W时,甲醇浓度的增加使得能耗从23.75kWh/m3H2降低⾄15.80kWh/m3H2;功率1400W、甲醇浓度5.0%时能耗为
25.09kWh/m3H2
HenriquesJ等使⽤⼤⽓压微波等离⼦体炬分解甲醇和⼄醇制氢。如图7所⽰,使⽤Ar作为载⽓,在输出功率500W,总流量500-2000mL/min的范围内,甲醇转化率可接近100%;在总流量4000mL/min、甲醇流量90mL/min时,H2产量达127.01mL/min。总流量保持500mL/min,H2产量随着微波功率的增加⽽增加,当功率⼤于400W时,H2产量出现了⼀定的饱和现象,DiasFM等对该现象做出了解释,H2在更⾼的功率密度下发⽣了解离,H原⼦与其他⾃由基进⾏了反应。当将H2O加⼊到反应中,在相同实验条件下H2产量相⽐之前得到了从21.28mL/min到27.55mL/min的较⼤幅度提升。当使⽤96%⼄醇作为制氢原料,如图8所⽰,在输出功率600W,总流量500-2000mL/min的范围内,⼄醇转化率表现出与甲醇相似的结果,但总流量增加到4000mL/min时,H2产量表现出了明显的下降,可归因为⼄
醇停留时间的降低。H2O的加⼊同样引起了H2产量的提升。
TatarovaE等使⽤“旋风”型Ar和Ar-H2O微波等离⼦体进⾏了甲醇、⼄醇和丙醇等醇类物质重整制氢。CO、CO2和固体碳是主要的副产物。醇流量与H2产量呈线性关系,反应物分⼦式中氢数越⾼,H2产量越⾼,即:丙醇>⼄醇>甲醇。功率为450W时,不同反应物的H2产量和能耗如表2所⽰,⼄醇制氢能耗相⽐其他反应物较低,为168.48kWh/m3H2。BundaleskaN等针对甲醇进⼀步研究了“旋风”型Ar和Ar-H2O微波等离⼦体制氢,主要产物为H2、CO和CO2,甲醇转化率可达100%。H2产率随着甲醇流量的增加⽽增加,在实验最⾼甲醇流量12.18mL/min时,H2产量最⾼,为
24.19mL/min,能耗306.70kWh/m3H2;当将⽔加⼊到反应物中,H2产量提⾼近1.5倍,达到34.72mL/min,同时能耗降低到215.98kWh/m3H2。“旋风”型反应器的旋流条件相⽐普通层流条件,在相同的反应条件下的能耗更低。在甲醇主要分解为H2和CO的条件下建⽴了⼀套描述化学动⼒学和⽓体热平衡的速率平衡⽅程的理论模型,分解产物的理论结果与实验结果吻合较好,证实了微波等离⼦体分解甲醇是⼀个随温度变化的过程。
SunB等利⽤液相微波放电制氢取得了较⾼的产氢量和较低的能耗。当采⽤直接耦合型微波液相放电重整⼄醇/⽔溶液制
SunB等利⽤液相微波放电制氢取得了较⾼的产氢量和较低的能耗。当采⽤直接耦合型微波液相放电重
整⼄醇/⽔溶液制氢时,产氢流量、制氢能耗分别可达13.4L/min、1.86kWh/m3H2。
2.4滑动弧放电制氢
滑动弧放电(GAD)⼀般采⽤直流电源供电,通过负载电阻来限制和稳定电流。将⾮等间距的电极连⼊电路,电极间最窄处会在⾼电压下被击穿形成电弧,并在⽓流推动下,沿电极边缘移动,同时被拉长,周期性的电弧在该区域内形成稳定的等离⼦体。图9给出了典型的⼑⽚式滑动弧放电的电路图和放电现象。
滑动弧虽然已经被⽤于制取H2或合成⽓,但以醇类为原料的研究2010年后才逐渐得到关注。BurlicaR等采⽤放电功率约0.3-0.4W的脉冲⼑⽚式滑动弧反应器,分别对甲醇、⼄醇和丙醇⽔溶液进⾏重整制氢,结果如图10所⽰。研究发现,相同条件下,甲醇作为反应物的制氢产量最⾼,具有较⼤的制氢潜能。
LvYJ等探讨了常温常压下利⽤滑动弧放电等离⼦体直接分解甲醇制氢的影响因素。通过对Ar载⽓流量、甲醇浓度、电极间距、输⼊电压和⽓化室温度等实验参数进⾏调整。可以实现甲醇转化率由51%提⾼⾄81.7%。实验中H2/CO保持恒定,但存在C2不饱和烃以及痕量CO2等副产物,所以尚存改进空间。
ZhangH等使⽤滑动电弧放电等离⼦体分解甲醇制氢,结果如图11所⽰。当甲醇进料浓度为5%时达到最⼤转化率
87.1%,主要的转化产物为H2和CO,且H2/CO恒定在1.5附近。⽓体产物按选择性降低依次为:CO、H2、C2H2、CH4、C2H4≈CO2(除H2及CO外均⼩于2.2%)。然⽽GAD中平均电⼦能量仅为1-1.5eV(23-34.5kcal/mol),因此只有部分活化电⼦参与分解反应,导致H2和CO选择性偏低。该⽅法的最佳产氢量280mL/min,最低能耗2.99kWh/m3H2。ZhangH等研究了滑动电弧等离⼦体重整甲醇、CO2制取合成⽓。甲醇、CO2转化率分别可达50%、15%,与此对应
H2、CO选择性分别为20%、45%。ZhangH等还尝试过利⽤旋转滑动弧(RGA)等离⼦体分解甲醇进⾏⼲式重整制氢,对系统进⾏优化后,甲醇转化率最⾼可达95.6%,能耗最低2.79kWh/m3H2。
LianHY等研究了甲醇中滑动弧放电⽤于在线制氢,研究中发现氧⽓的添加可以提⾼能量效率。当O2/C=0.3,S/C=0.5,注⼊能量24kJ/mol时,甲醇转化率为88%,能量效率可达74%,能耗为0.45kWh/m3H2。
由于⼄醇的易获取性,不少科研⼈员也尝试使⽤滑动弧分解⼄醇产氢。WangBW等就使⽤滑动弧放电反应器将⼄醇分解为H2及CO,同样考察了⼄醇浓度、载⽓流量等因素对⼄醇转化率的影响,在最好条件下,⼄醇转化率可达58.0%,H2产率达27.9%,相⽐甲醇来说较低,但也在⼯业⽣产中具有⼀定
的应⽤前景。
除了在等离⼦体直接分解外,⼄醇也可与⽔蒸⽓进⾏重整制氢。DuCM等就采⽤⾃主研发的拉⽡尔滑动弧对⼄醇⽔蒸⽓进⾏重整制氢。该⽅法下⼄醇转化率最⾼可达90%,最⼤H2流量1733.76mL/min,H2的产率约30%。
利⽤滑动弧放电分解甲醇或者⼄醇,主要产物为H2及CO,通过调整试验参数可以达到较为理想的转化率。由于GAD中较⾼的能量密度,以及紧凑的反应器设置,其处理能⼒较其他⾮热放电等离⼦体要⾼,该⽅法是各国研究者关注的热点,具有⼀定的⼯业化应⽤前景。
2.5辉光放电等离⼦体制氢
BagherzadehSB等利⽤CuO/ZnO/Al2O3纳⽶催化剂协同辉光放电等离⼦体制氢。放电电压1000V,放电时间45min,相关数据如图12所⽰。甲醇转化率可达95%,CO选择性可降⾄0.24%,同时H2选择性约78%。表3总结了⽓相放电等离⼦体在制氢领域的研究结果,总体来看采⽤⽓相放电等离⼦体制氢的多数⽅法能耗略⾼、产氢量略低、氢⽓百分浓度不⾼,还未达到使⽤产氢装置的需求。采⽤醇类⽓相放电制氢时,需通载⽓(Ar、He、N2等)或外加热源将醇类物质带⼊放电区,这⽆疑增加了⽅法的使⽤成本,也不利于装置的⼩型化、便捷化。此外,在醇类中⽓相放电还易产⽣碳沉积现象,产⽣的碳附着在电极上将影响放电进⽽降低制氢效果,当积碳过多时甚⾄会使等离⼦体淬灭从⽽阻断产氢,⽽
直接在醇类物质中引发等离⼦体制氢也许是解决这些问题的途径。
YanZC及ArkhipenkoVI等研究了液相辉光等离⼦体甲醇制氢,获得了1.18kWh/m3H2的较低能耗实验结果。
XinY等利⽤⽕花放电重整⼄醇制氢,产氢量较⾼且能耗更低,达到0.45kWh/m3H2。
3其他⽅法
利⽤甲醇制氢除了上述⽅法外还包括光化学法、电化学法、酶辅助法及超声波法等⽅法。